Scalable Bi-Directional SMA-Based Rotational Actuator

In industrial applications, rotatory motions and torques are often needed. State-of-the-art actuators are based on either combustion engines, electro-motors, hydraulic, or pneumatic machines. The main disadvantages are the construction space, the high weight, and a large amount of needed peripheral devices. To overcome these limitations, compact and light-weight actuator systems can be built by using shape memory alloys (SMAs), which are known for their superior energy density. In this paper, the development of a scalable bi-directional rotational actuator based on SMA wires is presented. The scalability was based on a modular design, which allowed the actuator to be adapted to various application specifications by customizing the rotational angle and the output torque. On the mechanical side, each module enabled a small rotatory motion, which added up to the total angle of the actuator. The SMA wires were arranged in an agonist-antagonist configuration to provide active rotation in both directions. The presented prototype achieved a total rotation of 100°. The modularity of the mechanical concept is also reflected in the electronics, which is discussed in this paper as well. This consideration allows the electronics to be adapted to the mechanics with minimal changes. As a result, a prototype, including the presented mechanical and electronic design, is reported in this study

Analysis and evaluation of bundled SMA actuator wires

The attractive properties of shape memory alloys (SMA), especially their high energy density, steadily expand the range of applications in which SMA wires represent attractive alternative actuator components. Industrial applications in particular, oftentimes require large forces, which scale with the diameter of SMA actuator wires. The higher the required actuator force, the larger the total effective cross-sectional area of the SMA wires is needed. Increasing the SMA wire diameter results in worse actuator dynamics due to a decreasing surface-to-volume ratio and thus slower convective cooling. Instead of simply increasing the wire diameter, the bundling of several thin wires offers a suitable alternative to generate higher forces. This results in an increased surface-to-volume ratio and thus permits higher dynamic system performance. This paper discusses the mechanical and thermal behavior of SMA wire bundles and shows the influence of contact resistance inside the clamps, which is important to optimize for a long-lasting functionality of SMA bundles. In addition, the experiments show an indirect heating between single SMA wires inside a bundle, which leads to an energy saving capability up to 60%. Two electro-mechanical experiments show the behavior of SMA bundles in a constant force and a constant strain measurement. The experimental results show a maximum stroke of 4–4.5% and a generated maximum force of 1200 N. The results are discussed to provide an understanding of the mechanical characteristics of SMA bundles. In addition, an infrared (IR)-Camera provides an insight into the thermal behavior

Formgedächtnislegierungsdrähte in Hochleistungsanwendungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Formgedächtnislegierungsdrähten (FGL-Drähten) in Hochleistungsanwendungen sowie der Entwicklung erster funktionaler Prototypen für entsprechende Applikationsbeispiele. In den gezeigten Fällen ist unter der Definition von Hochleistung die Bündelung von FGL-Drähten zur Erzeugung hoher Kräfte, die schnelle Aktivierung von FGL-Drähten mit erhöhten elektrischen Leistungen oder die Kombination aus beidem zu verstehen. Bei den untersuchten Bündeln handelt es sich um eine spezielle Bauform, die sich dadurch kennzeichnet, dass ein definierter Abstand zwischen den einzelnen Drähten innerhalb des Bündels besteht. Die Möglichkeit der schnellen Aktivierung von FGL-Drähten wird anhand einer praxisrelevanten Entwicklung eines Prototyps aufgezeigt. Dabei handelt es sich um ein Ventil zur Entlüftung von Spritzgusskavitäten. Der Prototyp zeigt neben der Fähigkeit der schnellen Aktivierung, wie durch innovative konstruktive Lösungen die prominenten Schwachstellen der FGL-Technologie umgangen oder kompensiert werden können. Die Arbeit eröffnet somit neue Einsatzgebiete für Anwendungen von FGL-Aktoren. Zum Abschluss wird die Entwicklung eines Technologiedemonstrators vorgestellt, der eine Kombination aus beiden Hochleistungsgebieten darstellt und das Potenzial von FGL anschaulich aufzeigt. Dazu werden FGL-Bündel mit hoher elektrischer Leistung aktiviert, um eine Bowlingkugel senkrecht in die Luft zu katapultieren.The present work deals with initial investigations of shape memory alloy (SMA) wires in high-power applications as well as the development of first functional prototypes for this field. In the regarded cases, the definition of high-power is described as the bundling of SMA wires to generate high forces, the fast activation of SMA wires with increased electrical power, or the combination of both. The SMA wire bundles shown in this work are special actuator elements characterized by having a defined space between the individual wires within the bundle. The behavior of such SMA bundles is investigated and discussed in the first part of this work. The potential for fast activation of SMA wires is demonstrated in this dissertation by the development and validation of a functional prototype. The prototype is a valve, which is used for venting cavities in injection molding. The prototype demonstrates the possibilities of fast activation and how prominent drawbacks of the SMA technology can be compensated or erased by innovative system design. Thus, this work expands the field of use for future applications. Finally, this work presents the development of a technology demonstrator, which constitutes the combination of both high-power areas and vividly showcases the potential of the SMA technology. For this purpose, SMA bundles are used in the demonstrator to catapult a bowling ball vertically into the air by high electrical power

Beitrag zur systematischen Aktor- und Aktorprinzipauswahl im Entwicklungsprozess

Die vorliegende Arbeit stellt zwei Ansätze zum Vergleich von Aktorprinzipen auf Basis bekannter Aktoren vor. Dem Entwickler bietet ein solcher Vergleich die Möglichkeit, schon früh im Entwicklungsprozess im Hinblick auf die gegebenen Anforderungen geeignete Aktorprinzipe zu wählen. Die Schritte der Aktorauswahl werden hierzu in den Entwicklungsprozess eingeordnet. Dem Entwickler soll die Möglichkeit gegeben werden, geeignete Aktorprinzipe anhand von Möglichkeitsbereichen zu identifizieren bzw. – in einem zweiten Schritt, wenn keines möglich erscheint – naheliegende Aktorprinzipe zu betrachten und die Zielkonflikte zwischen den Anforderungen in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses zu erkennen. Die hierfür vorgestellten Ansätze und Modelle sind am Beispiel der Aktoren ausgeführt, die Übertragbarkeit auf andere Anwendungsgebiete und Bauelemente wird diskutiert.The generation of motions is a crucial task of technical products. In particular, the trend toward automation is leading to a variety of customized application- motion systems and actuators.A key aspect in the development of many technical products therefore is the selection of appropriate actuators based on the respective requirements. Depending on the application, these can consist of a large variety of hardly comparable criteria. In the case that no suitable actuator can be found the question of a new development of an actuator and therefore the choice of a suitable actuator principle arises. This becomes even more exigent if the design task is dealing with the cutting edge of present technology like precision engineering. Notably, with respect to the more prevalent use of gearless-drive systems the actuator principle selection is of particular importance.Current tools for the selection of actuators and actuator principles are essentially limited to the individual knowledge of the designer and product- and design catalogues. Of those the product catalogues are limited to several actuator principles and usually very difficult to compare mutually.In turn, the evaluation of actuator principles during the design of new products often requires consolidated knowledge of various actuator principles that is not given to the system designer. A comparison of different actuator principles is therefore not possible. Many iterations and the consideration of various potential alternative solutions are the result.This thesis presents two different approaches for comparison of actuator principles on the basis of known actuators. Such a comparison provides thedesigner the opportunity to choose an appropriate actuator principle during the early phases of the development process with regard to the requirements given. Depending on this assessment, the designer is able to decide on the basic structure of the drive system as a whole.The steps of the actuator principle selection are therefore assigned to the phases of the design process. The system designer is given the opportunity to identify appropriate actuator principles on the basis of suitability-areas and - in a second step if none seems suitable - to recognize the conflicts between the requirements during early phases of the design process.The presented approaches and models for this purpose are pointed out using the example of actuators. The transferability to other applications and components is discussed.Das Erzeugen von Bewegungen ist eine wesentliche Aufgabe technischer Produkte. Insbesondere der Trend zur Automatisierung führt dabei zu einer Vielzahl anwendungsspezifisch entwickelter Bewegungssysteme und Aktoren. Wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung vieler technischer Produkte ist daher die Auswahl geeigneter Aktoren anhand der jeweiligen Anforderungen. Je nach Anwendung können diese aus einer Vielzahl verschiedener und schwer vergleichbarer Kriterien bestehen. Für den Fall, dass kein geeigneter Aktor gefunden werden kann, stellt sich insbesondere in Grenzbereichen der Technik wie z. B. der Präzisionstechnik die Frage nach einer Neuentwicklung und der Wahl eines geeigneten Aktorprinzips. Insbesondere für die zunehmend verwendeten Direktantriebe ist die Aktorpinzipauswahl von hervorgehobener Bedeutung. Aktuelle Hilfsmittel für die Auswahl von Aktoren und Aktorprinzipen beschränken sich im Wesentlichen auf das individuelle Wissen des jeweiligen Entwicklers und Produkt- bzw. Konstruktionskataloge. Insbesondere Produktkataloge sind auf ausgewählte Aktorprinzipe beschränkt und untereinander meist nur schwer vergleichbar. Für die Bewertung von Aktorprinzipen bei Neuentwicklungen ist wiederum oft vertieftes Fachwissen zu verschiedenen Aktorprinzipen erforderlich, welches dem Systementwickler nicht gegeben ist. Ein Vergleich verschiedener Aktorprinzipe ist dem Entwickler somit nicht möglich und viele Iterationsschritte und die Betrachtung unterschiedlichster, potenziell nicht zielführender Lösungsalternativen das Ergebnis. Die vorliegende Arbeit stellt zwei Ansätze zum Vergleich von Aktorprinzipen auf Basis bekannter Aktoren vor. Dem Entwickler bietet ein solcher Vergleich die Möglichkeit, schon früh im Entwicklungsprozess im Hinblick auf die gegebenen Anforderungen geeignete Aktorprinzipe zu wählen. Abhängig von dieser Abschätzung ist es dem Entwickler wiederum möglich, grundlegende Entscheidungen zum Aufbau des Bewegungssystems als Ganzes zu treffen. Die Schritte der Aktorauswahl werden hierzu in den Entwicklungsprozess eingeordnet. Dem Entwickler soll die Möglichkeit gegeben werden, geeignete Aktorprinzipe anhand von Möglichkeitsbereichen zu identifizieren bzw. – in einem zweiten Schritt, wenn keines möglich erscheint – naheliegende Aktorprinzipe zu betrachten und die Zielkonflikte zwischen den Anforderungen in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses zu erkennen. Die hierfür vorgestellten Ansätze und Modelle sind am Beispiel der Aktoren ausgeführt, die Übertragbarkeit auf andere Anwendungsgebiete und Bauelemente wird diskutiert

High‐Speed Antagonistic Shape Memory Actuator for High Ambient Temperatures

This work presents the development of an innovative shape memory alloy (SMA) actuator principle, which allows high-speed switching cycles through the decoupling of antagonistically arranged SMA wires. Being optimized for the use at high ambient temperatures up to 65 °C, a possible application area is the active venting of injection molds where it can be used to expel air, which is trapped during the injection mold process. The patented actuator principle is based on a decoupled agonist–antagonist SMA-spring system and allows a high-speed closing movement by a compact and lightweight design. Another innovation compared to conventional antagonistic SMA actuator systems is the integrated fail-safe mechanism, which guarantees a defined closed state in case of power failure. Subsequently, in the motivation the need for active venting valves for injection molding is first described. Second, the novel actuator principle is introduced, and the development of an electronics concept is discussed. Finally, the design process, assembly, and validation of two iterations of the actuator prototype are presented. The final prototype validation measurements showcase high performance by valve strokes of 1 mm within 100 ms at ambient temperature of 65 °C

Kaskadierte Aktoren als biomimetische Antriebselemente

This thesis describes the development of new actuators and the evaluation of new actuator principles. This research has its origins in investigations of the transmission of mechanical energy from an actuator to an effector. The goal is to generate selection criteria for the usability of actuators. At first only the static case was analysed. In the static case, between linear elements a maximum of 25% of the actuator energy can be transferred to the effector. Non-linear actuator characteristics are able to realise a higher efficiency. The dynamic case is not evaluated by comparing varieties but by determining an optimal acceleration process that is used as values-of-orientation trajectory of the motion process. The result of the optimisation is non-linear characteristics that are very similar to the ones of biological drives. Biomimetic cascaded actuators are able to generate both linear and non-linear characteristics as shown in simulation calculations. Force as well as displacement can be accumulated as well as subdivided into finer increments. The stiffness of cascaded actuators can be varied during contraction by the design. On this way, drives can be tailoured to static or dynamic tasks. Apart from the variable path of motion (trajectory) three dimensional cascades allow a three-dimensional motion as a new quality of motion. The concept for a cascaded actuator based on polarized magnetic bridges has been developed. The magnetic bridge is a very sensitive magnetic setup. It has been adapted to the needs of a linear actuator. Furthermore a concept for a magnetomechanical logic of an integrated control of magnetic bridges has been developed. Application areas of biomimetic cascaded actuators are direct drives which move objects to defined positions and keep them in place without energy consumption. Cascaded actuators for industrial use have to be produced using microtechnical methods.Die vorliegende Arbeit gliedert sich in die Entwicklung neuer Antriebe und die Bewertung von Aktorprinzipien ein. Ausgangspunkt sind Untersuchungen zur Übertragung mechanischer Energie vom Aktor zum Wirkelement mit dem Ziel daraus Auswahlkriterien für Aktoren abzuleiten. Zunächst wird der statische Fall analysiert. Im statischen Fall können zwischen linearen Elementen maximal 25% der Aktorenergie an das Wirkelement weitergegeben werden. Mit nichtlinearen Antriebskennlinien ist ein höherer Wirkungsgrad der Energieübertragung erreichbar. Die Bewertung des dynamischen Verhaltens der Antriebe erfolgt nicht über Variantenvergleich, sondern durch das Bestimmen eines optimalen Beschleunigungsprozesses, der als Vergleichstrajektorie für Antriebskennlinien dient. Das Ergebnis der Optimierung sind nichtlineare Kennlinien, die denen biologischer Antriebe qualitativ sehr ähneln. Mit biomimetischer Kaskadierung von Aktoren können sowohl lineare als auch nichtlineare Kennlinien erzeugt werden, was in Simulationen nachgewiesen wird. Sowohl Kraft als auch Weg können aufsummiert, aber auch in feiner inkrementierte Schritte unterteilt werden. Die Steifigkeit der kaskadierten Antriebe kann mit fortschreitender Kontraktion durch die konstruktive Gestaltung variiert und die Antriebe so für statische oder dynamische Aufgaben zugeschnitten werden. Neben dem veränderten Bewegungsablauf ermöglichen räumliche Kaskaden auch dreidimensionale Bewegungen als neue Bewegungsqualität. Das Konzept eines kaskadierten Antriebes mit polarisierten Magnetbrücken wird entwickelt. Die magnetische Vollbrücke als besonders empfindliche, bistabile, polarisierte Magnetanordnung wird an die Forderungen einer Magnetkaskade angepasst. Damit liegt das Konzept einer integrierten magnetomechanischen Logik zur Ansteuerung der Magnetbrücken vor. Einsatzgebiete biomimetischer, kaskadierter Aktoren sind vor allem integrierte Direktantriebe, die Objekte in eine Position bringen und dort energiefrei halten sollen. Die mikrotechnische Herstellung kaskadierter Mikroaktoren ist eine Voraussetzung für deren industriellen Einsatz

Neues Konzept für den Antrieb eines implantierbaren mechatronischen Akkommodationssystems

Intraokulare mechatronische Implantate sind ein vielversprechender Ansatz zur Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit des menschlichen Auges bei Alterssichtigkeit oder im Rahmen einer Kataraktoperation. Die Dissertation beschreibt die systematische Entwicklung von mikromechanischen Antrieben für die Optik eines solchen „Künstlichen Akkommodationssystems“. Es werden zwei verschiedene Antriebslösungen für unterschiedliche Linsensysteme – eine axial-bewegte Triple-Optik und eine lateral-bewegte Alvarez-Optik – erarbeitet. Beide basieren auf piezoelektrischen Aktoren und planaren Mikrogetrieben aus einkristallinem Silizium, für die jeweils neuartige elastische Verformungsmechanismen entwickelt werden. Neben theoretischen Funktionsnachweisen wurden beide Antriebslösungen als Funktionsmuster im Maßstab 1,5:1 bzw. 1,2:1 aufgebaut, erfolgreich getestet und mit positivem Ergebnis messtechnisch charakterisiert. Damit wird erstmals die Realisierbarkeit mikromechanischer Antriebe für mechatronische Akkommodationsimplantate nachgewiesen

Untersuchungen zum Einsatz elektro-Magnetischer Mikroaktoren

Examinations to use of electric magnetic micro actuators Summary This work devotes herself to the micro actuators, the movement producing element in mike systems. Aim position is the examination of the use possibilities of the electrodynamic energy conversion principle for Mikroaktoren. At this the electrodynamic principle is compared with different energy conversion principle and the qualities of these principles worked out to be applied so for every principle suitably. The stationary business characteristics form basis of the comparison. The examination shows that particularly the degree of effectiveness of the actors forms a suitable comparison criterion. The degree of effectiveness represents a limiting factor primarily at increasing packaging density of Mikroaktoren in a mems. Cascaded microdrives is for the development multidimensional the attention of the efficiency of the energy conversion of decisive importance. The examined electrodynamic actors stand out due to a high degree of effectiveness in the area of the neutral speed, her efficiency, however, is minimal at the suit. The far largest number of micro actuators executes change apt movements or without rest due to the put leaderships. At this the actuators do both blind and active power. A method introduced will around this one makes this possible compare this movement form energetically with continuous regular actors to know. The feather led Mikroaktoren are described by the forced harmonic vibration of a muffled feather mass system. The parameters are the vibrating mass, the recession and the elasticity of the guided tour feathers. The converted performance is into effective active -and reactive power takes to pieces. From the ratio of the two performances to each other the complete degree of effectiveness can be determined. Not harmonic vibrations are brought closer by means of a Fourier series. In this case the total performance arises from the sum of all singles performances. The proof is furnished at concrete examples. Three different electrodynamic micro actuators are built up and examined. To this different production techniques are analyzed and modified. The consideration points, that only the actors, which is operated with her own angular frequency with a high degree of effectiveness work. The degree of effectiveness can be up to 90%. At arbitrary change apt movements a degree of effectiveness of maximum 0.1% is reached.Diese Arbeit widmet sich den Mikroaktoren, den bewegungserzeugenden Elemente in Mikrosystemen. Zielstellung ist die Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten des elektrodynamischen Energiewandlungsprinzips für Mikroaktoren. Dabei wird das elektrodynamische Prinzip mit verschiedenen Energiewandlungsprinzip verglichen und die Eigenschaften dieser Prinzipien herausgearbeitet, um so für jedes Prinzip geeignete Anwendungen zu finden. Grundlage des Vergleichs bilden die stationären Betriebskennlinien. Die Untersuchung zeigt, daß besonders der Wirkungsgrad der Aktoren ein geeignetes Vergleichskriterium bildet. Vor allem bei zunehmender Packungsdichte von Mikroaktoren in einem Mikrosystem stellt der Wirkungsgrad einen begrenzenden Faktor dar. Zur Entwicklung mehrdimensional kaskadierter Mikroaktoren ist die Beachtung der Effizienz der Energiewandlung von entscheidender Bedeutung. Die untersuchten elektrodynamische Aktoren zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad im Bereich der Leerlaufgeschwindigkeit aus, hingegen ist ihre Effizienz beim Anzug minimal. Die weitaus größte Anzahl von Mikroaktoren führt aufgrund der eingesetzten Federführungen wechselsinnige Bewegungen mit oder ohne Rast aus. Hierbei leisten die Aktoren sowohl Blind- als auch Wirkleistung. Um diese Bewegungsform energetisch mit kontinuierlichen laufenden Aktoren vergleichen zu können wird eine Methode vorgestellt die dies ermöglicht. Die federgeführten Mikroaktoren werden durch die erzwungene harmonische Schwingung eines gedämpften Feder-Masse-Systems beschrieben. Die Parameter sind die schwingende Masse, die Dämpfung und die Elastizität der Führungsfedern. Die umgesetzte Leistung wird in effektive Wirk- und Blindleistung zerlegt. Aus dem Verhältnis der beiden Leistungen zueinander läßt sich der Gesamtwirkungsgrad bestimmen. Nicht harmonische Schwingungen werden mittels einer FOURIER-Reihe angenähert. Die Gesamtleistung ergibt sich in diesem Fall aus der Summe aller Einzelleistungen. Der Nachweis wird an konkreten Beispielen geführt. Es werden drei verschiedene elektrodynamische Mikroaktoren aufgebaut und untersucht. Hierzu werden verschiedene Herstellungstechniken analysiert und modifiziert. Die Betrachtung zeigt, daß nur die Aktoren, die mit ihrer Eigenkreisfrequenz betrieben werden mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten. Der Wirkungsgrad kann bis zu 90 % betragen. Bei beliebigen wechselsinnigen Bewegungen wird ein Wirkungsgrad von maximal 0,1 % erreicht. 7Abschließend erfolgt eine Charakterisierung der aufgebauten Mikroaktoren

Elektrorheologische Antriebseinheit für fluidische Applikationen

In unserem Alltag nutzten wir an verschiedenen Stellen fluidtechnische Systeme. In der Industrie werden durch das Vermischen unterschiedlicher Flüssigkeiten und Gasen diverse Produkte hergestellt. In der Medizintechnik wird sie von der Forschung über die Diagnose bis zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt. Auch nutzen wir die Hydraulik und Pneumatik, um Leistungen und Kräfte zu übertragen. Um einen Fluidstrom zu steuern und zu regeln, werden Ventile eingesetzt. Muss ein Fluid auf viele Leitungen geschaltet oder müssen mehrere Fluide geregelt werden, können die dazu notwendigen Ventile in einer Ventilmatrix zusammengefasst werden. Dies hat nicht nur einen geringeren Platzbedarf zur Folge, sondern reduziert auch das Volumen in den Leitungen zwischen den Ventilen. Die Flüssigkeitsmenge, welche sich in dem Volumen befindet, steht für eine weitere Nutzung nicht zur Verfügung. Daher ist dies insbesondere beim Händeln kleiner Flüssigkeitsvolumen von Vorteil. In dieser Arbeit wird ein Antriebskonzept für eine Ventilmatrix untersucht, welches auf einer elektrorheologischen Flüssigkeit basiert. Eine elektrorheologische Flüssigkeit (ERF) ist eine Dispersion, welche meistens aus einer nichtleitenden Trägerflüssigkeit und kleinen Partikeln besteht. Im elektrischen Feld polarisieren sich die Partikel und die gegenseitigen Anziehungskräfte der Partikel wirken dem Fließen der Flüssigkeit entgegen. Makroskopisch betrachtet wird dadurch die Viskosität erhöht. In dem in dieser Arbeit betrachteten ERF-Aktor wird über das Anlegen eines elektrischen Feldes durch den elektrorheologischen Effekt der Fließwiderstand in einem Kanal erhöht und die dadurch hervorgerufene Druckänderung zum Schalten eines Ventils genutzt. Somit kann die Antriebseinheit, welche die Energie für das Betätigen des Ventils bereitstellt, zum Antrieb mehrerer Ventile verwendet und von diesen räumlich getrennt aufgebaut werden. Durch das Trennen der Funktionen sind für die angesteuerten Ventile nur wenige Elemente erforderlich, was einen einfachen Aufbau derselben ermöglicht. Das Konzept ist somit speziell auf die Ansteuerung mehrerer Ventile in einer Ventilmatrix ausgerichtet. Zur Umsetzung eines solchen Aktorprinzips wurde ein Konzept für eine Ventilmatrix entwickelt. Dabei lag der Fokus auf einer einfachen Fertigung der einzelnen Ventile, die sich auch für eine Herstellung in größeren Stückzahlen eignet. Anhand einer aufgebauten Testmatrix konnte die Funktionsfähigkeit des Antriebskonzepts demonstriert werden und eine Charakterisierung des Schaltverhaltens der Matrixventile erfolgen